東北地理所提出準確表征夜光遙感數據新方法
夜光遙感是估算社會經濟參數、評估城市發展以及研究光污染對生態環境影響的重要手段。然而，如何準確地反映夜間燈光能量強弱目前仍然是一個挑戰。當前應用最為廣泛的夜光遙感數據為SNPP-VIIRS數據，其空間分辨率為15角秒（赤道處約500m），采用輻亮度（單位：nW/cm2/sr）來描繪夜間燈光輻射能量強弱。輻亮度代表單位投影面積、單位立體角、單位時間內面輻射源輻射的能量，本質上講反映的是能量密度在某一方向上的特征而非能量本身。因此，當影像像元面積相同時，輻亮度可以反映夜光像元間的相對能量強弱，但是當像元面積不同時，使用建立在單位面積基礎上的物理量來反映能量強弱，將會帶來嚴重系統誤差。而使用SNPP-VIIRS數據的大部分研究都面臨這一問題，其像元面積隨緯度而變化，直接使用輻亮度來反映其能量強弱顯然不夠準確。本研究提出將輻亮度轉換為輻射通量（某一表面單位時間輻射出的能量，單位：W），以達到更準確、直觀地描繪夜間燈光的目的（圖1）。
圖1 輻亮度至輻射通量基本轉換思路
考慮到SNPP-VIIRS數據的角度效應等問題，本研究選取SNPP-VIIRS年度均值掩膜合成數據產品作為轉換模型建立的數據基礎。基于該數據建立起的轉換模型如公式1所示。
式中Lp為SNPP-VIIRS數據的像元輻亮度，單位為nW/cm2/sr，θ為各像元中心緯度,Φp為各像元的輻射通量，單位為 W。
通過轉換模型，本研究基于SNPP-VIIRS 2022年度均值掩膜數據，計算了2022年夜間燈光輻射通量，結果如圖2所示。在本研究選取的50座用于驗證分析的代表城市中，莫斯科輻射通量最高，達到12.5MW，其次是洛杉磯（9.8MW）、芝加哥（8.3MW）和紐約（7.7MW）。
圖2 2022年夜間燈光輻射通量計算結果
本研究通過輻亮度、輻射通量分別與人口進行擬合來說明采用輻射通量的優勢。圖3展示了全部50座城市的擬合結果，圖4則分別對北美、歐洲以及東亞三個地區的城市進行了擬合分析。結果表明，輻射通量顯著提升了夜間燈光遙感數據對人口等社會經濟參數進行估算的能力。
圖4 北美、歐洲、東亞三地區城市輻亮度、輻射通量分別與人口進行線性擬合
使用輻射通量代替輻亮度來描繪夜間燈光，提升了夜光遙感數據估算社會經濟參數的準確性，還解決了像元輻亮度相加沒有物理意義這一問題。夜光遙感本質是對夜光輻射能量的探測，從能量的角度來看，以瓦特為單位的輻射通量更接近人類對能量的理解，可以更加直觀地反映夜間燈光能量的強弱。
該研究發表在遙感領域國際頂級期刊《Remote Sensing of Environment》，中國科學院東北地理與農業生態研究所碩士研究生曾海航為第一作者，東北地理所賈明明副研究員、河海大學薛朝輝教授為通訊作者。東北地理所王宗明研究員、趙傳朋副研究員、張蓉特別研究助理、碩士研究生寧祥雨和顏洋洋為共同作者。本研究得到國家自然科學基金（42330109，42171372和42171379）、國際大數據促進可持續發展目標研究中心開放研究計劃（Grant No.CBAS2022ORP06）、中國科學院青年創新促進會（2021227）、吉林省自然科學基金（20240101016JJ）和國家地球系統科學數據中心（www.geodata.cn）的聯合支持。
論文信息:Zeng Haihang,Jia Mingming*,Ning Xiangyu,Xue Zhaohui*,Zhang Rong,Zhao Chuanpeng,Yan Yangyang,Wang Zongming. Quantitative characterization of global nighttime light: A method for measuring energy intensity based on radiant flux and SNPP-VIIRS data. Remote Sensing of Environment,2025,318,114576.
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114576
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